武漢理工大學Nano Energy:無序工程提升NaFePO4儲鈉性能的原子尺度結構起源

Alisa 5年前 (2019-01-14) 3436瀏覽

【前言】

因儲量豐富易于獲取，目前鈉離子電池作為鋰離子電池的替代品備受關注。鈉離子電池的眾多候選正極材料中，NaFePO4因擁有高理論容量(155 mAh g?1)、低成本、高結構穩定性等優勢，吸引了眾多科研人員和技術人員的關注。然而，熱力學穩定NaFePO4相具有磷鐵鈉礦結構，理論和實驗證明該相作鈉離子電池正極時是電化學惰性的。如何利用熱力學穩定磷鐵鈉礦NaFePO4是本領域亟待突破的重要科學和技術問題。

圖文摘要：NaFePO4各相間的結構差異

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【成果簡介】

通過高能球磨，制備了具有不同非晶相含量的系列NaFePO4復合材料，證明了非晶相含量與儲鈉容量之間的關系；優化后的NaFePO4復合材料表現出優異的循環穩定性，在1 C倍率下容量約115 mAh g?1, 循環800次后容量保持率為91.3%；結合同步輻射、拉曼散射等技術方法，揭示了無序工程提升儲鈉性能的原子尺度結構起源，提供了一種改善電池性能的新途徑，同時也為電池的研究開辟了一個新的研究方向。

論文第一作者是陶海征教授、麥立強教授和岳遠征教授指導的博士生熊方宇，陶海征教授和岳遠征教授是通訊作者，近日以“Revealing the atomistic origin of the disorder-enhanced Na-storage performance in NaFePO4?battery cathode”為題目發表在Nano Energy上。

【圖文簡介】

圖1 儲鈉性能

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(a) 晶態磷鐵鈉礦NaFePO4和球磨不同時間的NaFePO4在1 C（155 mA g-1）倍率下的循環性能。

(b) 球磨15小時的NaFePO4對應的充放電曲線;

(c) 球磨15小時的NaFePO4的循環性能.

(d) 球磨15小時的NaFePO4的倍率性能

圖2 結構形貌表征

(a-c) FESEM 圖像：晶態磷鐵鈉礦NaFePO4?(a)，球磨5小時的NaFePO4?(b)和球磨15小時的NaFePO4?(c)；?

(d) 球磨15小時NaFePO4的TEM圖像；?

(e-g) HRTEM圖像：晶態磷鐵鈉礦NaFePO4?(e)，球磨5小時的NaFePO4?(f)和球磨15小時的NaFePO4?(g)；

(h) 球磨15小時的NaFePO4HAADF圖像和EDS元素分布圖。

圖3?NaFePO4的相變

(a)晶態磷鐵鈉礦NaFePO4、晶態橄欖石NaFePO4和NaFePO4復合材料（球磨15小時的NaFePO4）的TG和DSC曲線； (b) 晶態磷鐵鈉礦NaFePO4和球磨不同時間NaFePO4的DSC曲線。

圖4?NaFePO4不同相的結構差異分析

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晶態磷鐵鈉礦NaFePO4、晶態橄欖石NaFePO4和NaFePO4復合材料（球磨15小時NaFePO4）的(a) Na?K邊XANE光譜，(b) O?K邊XANE光譜，和(c)Raman光譜.

圖5 鈉離子擴散機制結構示意圖

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(a) 非晶態NaFePO4可能的Na擴散路徑和原子尺度結構示意圖；

(b)?晶態橄欖石NaFePO4和(c)晶態磷鐵鈉礦NaFePO4結構示意圖。

【小結】

通過調控球磨參數制備了具有不同非晶相含量NaFePO4同質多相復合材料，并證明了非晶相含量與儲鈉容量之間的關系。優化后的NaFePO4展現出優異的循環穩定性，在1 C倍率下容量約115 mAh g?1, 循環800次后容量保持率91.3%。這可以歸因于非晶相與晶相的協同效應，即活性的非晶相有利于實現高的儲鈉容量，而非活性的晶相能夠增強結構穩定性。此外，揭示了該材料中無序工程提升儲鈉性能的原子尺度結構起源，即非晶化過程中共邊的[FeO6]八面體向共頂或共邊[FeOn]多面體的轉變是獲得高儲鈉性能的關鍵。作者通過系統表征發現了無序工程提升NaFePO4電化學性能的原子尺度機制，該工作為通過無序工程開發新的電極材料具有重要指導意義。

文獻鏈接

F. Y. Xiong, Q. Y. An, L. X. Xia, Y. Zhao, L. Q. Mai, H. Z. Tao* and Y. Z. Yue**: “Revealing the atomistic origin of the disorder-enhanced Na-storage performance in NaFePO4 battery cathode”, Nano Energy57 (2019) 608-615.

論文鏈接：?https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.12.087

“極端玻璃態實驗室”簡介：

岳遠征教授于2013年受聘武漢理工大學特聘教授以來，與G. Neville Greaves教授、趙修建教授、陶海征教授共同組建了“極端玻璃態實驗室”，與劍橋大學、賓夕法尼亞州立大學和美國Corning公司等國際著名玻璃團隊建立了實質性合作關系。實驗室逐步形成了“氣動懸浮熔體的熱動力學”、“高能球磨離子導電玻璃”以及“MOF玻璃”三大研究方向。

本文由武漢理工大學極端玻璃態實驗室供稿，材料人編輯部編輯。

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